[发明专利]一种基于三苯胺的星状有机小分子n-型半导体材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于三苯胺的星状有机小分子n‑型半导体材料及其制备方法与应用，基于三苯胺为核心、硫芴为桥连、1，3‑茚满二酮及其衍生物为端基的n‑型有机小分子半导体材料及其制备方法，以及该类分子作为受体材料在有机非富勒烯太阳能电池中的应用。本发明公开的以三苯胺为核心的n‑型有机小分子半导体具有可溶液加工、吸收光谱宽、吸光系数高、热稳定性优异、能级适当等优点，是理想的有机太阳能电池非富勒烯受体材料。

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种基于三苯胺为核心、硫芴为桥连、1，3-茚满二酮及其衍生物为端基的n-型有机小分子半导体材料及其制备方法与应用，以及该类分子作为活性层中受体材料在有机非富勒烯太阳能电池中的应用。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的清洁、绿色能源，近年来随着世界各国对能源问题的重视，太阳能电池成为该领域的研究热点。与传统无机半导体太阳能电池相比，有机太阳能电池具有成本低、用料少、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，具有广阔的发展和应用前景。

富勒烯及其衍生物类受体材料在有机太阳能电池领域长期处于主导地位，然而这类材料存在原材料成本较高、光照下不稳定、高温下易结晶、可见光区吸收弱且难以拓宽、最低未占据分子轨道(LUMO)能级较低导致电池开路电压低等缺点，这些缺点限制了其进一步发展。最近几年，非富勒烯受体材料渐渐成为有机太阳能电池领域的研究热点。非富勒烯受体材料根据分子结构的不同主要可以分为聚合物和小分子两类。2001年占肖卫等¹率先合成了基于苝酰亚胺的聚合物受体材料，以其为受体的电池能量转换效率到达为1％；经过科学家的不断努力，以聚合物聚{2，6-[N，N'-二(2-辛基十二烷基)萘 -1,4,5,8-二酰亚胺]-5,5'-(2,2'-联噻吩)}N2200为受体的器件能量转换效率已达到 10.7％²。但不同批次合成的聚合物的分子量及其分布可能存在较大差异，存在后期分离提纯困难、重复性差等缺点。与聚合物相比，小分子材料具有明确的分子结构，制备和提纯工艺简单，因此基于有机小分子受体的太阳能电池最近成为该领域的研究热点之一。2017年，国家纳米科技中心丁黎明课题组合成了一种新型窄带隙茚并二噻吩(ITIC) 类小分子，以其为受体的器件能量转换效率达到14.1％，这是目前文献报道的单结有机太阳能电池转换效率的最高值³。

三苯胺具有较强的共轭体系，优异的电荷传输性，价廉易得，本身独特的立体结构可改善材料的溶解性，被广泛用于小分子光伏材料的构筑单元^4-6。为了开发这种材料的最大潜力，研究者采用了很多方法对其进行修饰，例如：Yuriy等⁷以联二噻吩为桥联，丙二氰为端基，对三苯胺进行修饰合成了N(Ph-OMe-2T-Rh-Et)3，并以其为给体制备有机太阳能电池，效率达到4.3％；Prabha等以氰基与萘二甲酰亚胺对三苯胺进行修饰制备了SM2，并以其为受体的有机太阳能电池效率到6.11％⁸。芴基具有良好的共轭体系与平面性，因此含有芴基的材料通常都具有较高电荷迁移率，而芴基可以通过连接不同的侧链基团改善溶解性，调节分子间间距与堆积方式，在小分子有机太阳能电池中应用广泛^9-12。1，3-茚满二酮及其衍生物具有很强的吸电子能力，可以与给电子基团形成 D-A共轭，减小带隙，拓宽吸收光谱，提高光电子吸收效率，是目前性能最优异的封端基团之一^13-14。

本发明利用具有较高电荷迁移率和较强给电子能力的三苯胺为核心，1，3-茚满二酮及其衍生物为封端基团，并以具有良好的共轭性与平面性的芴基为桥连，设计合成了一种n-型小分子有机半导体材料，制备高效率有机太阳能电池器件。

参考文献：